{:en}The Great Electromagnetic Force{:}{:id}Dahsyatnya Elektromagnetik{:}


Electromagnetic force is so great that the scientists in NASA (National Aeronautics and Space Admistration) start to think to utilize it as a source of power that can ‘launch’ a spaceship to the outer space! Why did this idea come up? Isn’t the usual rocket machine already quite successful? Apparently, all rocket machines that have been used or are being developed today still require special materials as the thruster. These propellant materials can be chemicals that are commonly used. They can also be acquired from nuclear fusion reaction. This technology was developed in the early 21st century. There are also other innovative technologies like light propulsion and antimatter propulsion.

However, propellant use highly limits the speed and maximum distance of a plane. Therefore, the idea of sending a spaceship to outer space using a technology that does not involve propellant at all came up. What system can  ‘launch’ such enormous and heavy plane to outer space without using any propellant? Only Electromagnetic force can answer!

Electromagnetic force is a combination of electricity and magnet. When we let electricity flow on a wire, we can create a magnetic field. Electricity and magnet are irreplaceable unless in a superconductor type I that demonstrates Meissner Effect (superconductor material can eliminate magnetic field up to certain level). It can be proven by putting a compass near that wire. The magnetic needle in the compass will move because the compass detects a magnetic field. Electromagnetic force has been commonly used in building motorcycle machine, casette, video, loudspeaker, and the like. Now, it is time for a spaceship project to utilize its greatness!

David Goodwin from the Office of High Energy and Nuclear Physics in America is the person who suggests to use electromagnetic propulsion. When an electromagnet is cooled to the lowest temperature, something ‘unusual’ happens. If a current pass through a super cold magnet, we can observe vibrations for several nanoseconds (1 nanosecond = 10−9 seconds) before the magnet becomes a superconductor. According to Goodwin, although the vibrations occur for only a few nanoseconds, we can still make use of the unsteady state. If the resulted vibrations can be directed into the same direction, we can acquire enough power to ‘launch’ a spaceship. This power is not only enough to randomly launch it, but the spaceship can even reach a maximum distance and maximum speed that exceed any other planes that use propellant.

To explain his idea, Goodwin used a solenoid made from magnetic superconductor wire that was wrapped around a cyllindrical metal stick. The magnetic wire used was made from niobium and lead. This electromagnetic force became a superconductor material after it is cooled with liquid helium until the temperature reaches 4 K (-269°C). The metal plate under the solenoid functions to strengthen the resulted vibrations. To cause vibrations with a frequency of 400,000 Hz, assymetrical condition in magnetic field is necessary. Metal plate (can be made of alumunium or copper) that has been charged with electricity is put separately (isolated) from the solenoid system so as to make assymetrical condition.

For several microseconds before the magnet starts to isolate in the opposite direction, the electricity in the metal plate must be removed. The main challenge that must still be encountered is the technique to direct the vibrations caused in this unsteady condition so that they can all move in the same direction. For that, we require a device such as solid-state switch that can turn electricity on and off for 400,000 times per second (in accordance with the vibration frequency). This solid-state switch essentially plays a role to take energy from a consistent condition and turn it into high speed electric pulses (that contains high electric power) 400,000 times per second.

The energy used for this elecromagnetic system comes from a nuclear reactor (300 kW) that belongs to NASA. This reactor creates heat energy through nuclear fission reaction. This fission reaction involves a process of atom splitting that is accompanied by gamma ray radiation and heat release in a massive amount. Nuclear reaction that uses ¾ kg of uranium (U-235) can create heat in the same amount of heat made from combustion of 1 million gallon of petroleum (3.8 million liters).

The heat energy caused by this nuclear reactor is then converted into electric energy that can be used for electromagnetic propulsion system. When used in a spaceship, ¾ kg of uranium does not waste space at all because it only requires space as big as a baseball. With a much smaller mass and much less space required compared to a rocket machine that is usually used to send spaceships to outer space, aircrafts with this electromagnetic system can have much higher maximum speed so that they can reach farther locations.

According to Goodwin, aircrafts with electromagnetic technology can reach the point of heliopause, which is a meeting place of wind that comes from the sun (solar wind) and wind that comes from stars outside our solar system (interstellar solar wind). Heliopause is located about 200 AU (Astronomical Unit) from the sun. 1 AU is the average distance between the Earth and the sun, which is approximately 149,597,871 km. The farthest planet in our solar system is only 39.53 AU from the sun. All spaceships that use propellant cannot reach a distance that far!

Of course a plane equipped with the great electromagnetic force is still so far away from the ideal system that we desire. Because although the plane can have an extremely high speed, the speed is still very small compared to the light speed (300,000 km per second). The maximum speed that can be achieved by this system is still under 1% of the light speed. Moreover, the star closest to our solar system is more than 4 thousand light years away ( light year = 9.4607×1012 km). The farthest trip that humans have traveled is  400,000 km, which is the trip to the moon.

If we want to send an unmanned aircraft, we still need hundreds of years before the aircradt reaches the closest star. Even that is the estimation if we use electromagnetic technology! With aircrafts that use chemical propellants, we can only reach the nearest star in tens of thousands of years. If we want to reach the nearest star quicker like in Star Trek, we need a technology that can surpass the speed of light. As long as that technology is not developed, we can make use of the electromagnetic technology that actually gives a quite promising alternative although it still cannot realize our dream of exploring the universe.

(Yohanes Surya)


Begitu dahsyatnya teknologi elektromagnetik sehingga para ilmuwan di NASA (National Aeronautics and Space Admistration) mulai berpikir untuk memanfaatkannya sebagai tenaga yang bisa ‘melemparkan’ pesawat luar angkasa ke luar atmosfer bumi! Kenapa sampai muncul ide ini? Bukankah mesin roket yang biasanya digunakan untuk mengirim pesawat-pesawat ke luar bumi sudah cukup berhasil? Sebenarnya semua mesin roket yang sudah digunakan maupun yang sedang dikembangkan saat ini tetap membutuhkan bahan khusus sebagai pendorongnya. Bahan-bahan propellant ini bisa berupa bahan kimia seperti yang sudah banyak digunakan, bisa juga berupa hasil reaksi fusi nuklir yang teknologinya dikembangkan di awal abad 21 ini. Ada lagi berbagai teknologi inovatif seperti light propulsion dan antimatter propulsion.

Penggunaan propellant ini sebenarnya sangat membatasi kecepatan dan jarak maksimum yang dapat dicapai pesawat. Karena itulah muncul ide untuk mengirimkan pesawat luar angkasa menggunakan teknologi yang sama sekali tidak melibatkan propellant. Sistem apa yang bisa ‘melemparkan’ pesawat yang begitu besar dan berat ke luar angkasa tanpa menggunakan propellant sama sekali? Hanya Elektromagnetika yang bisa menjawabnya!

Elektromagnetika merupakan penggabungan listrik dan magnet. Sewaktu kita mengalirkan listrik pada sebuah kawat kita bisa menciptakan medan magnet. Listrik dan magnet benar-benar tidak terpisahkan kecuali dalam superkonduktor tipe I yang menunjukkan Efek Meissner (bahan superkonduktor dapat meniadakan medan magnet sampai pada batas tertentu). Ini bisa dibuktikan dengan cara meletakkan kompas di dekat kawat tersebut. Jarum penunjuk pada kompas akan bergerak karena kompas mendeteksi adanya medan magnet. Elektromagnetika sudah banyak dimanfaatkan dalam membuat mesin motor, kaset, video, speaker (alat pengeras suara), dan sebagainya. Sekarang giliran proyek luar angkasa yang ingin memanfaatkan kedahsyatannya!

David Goodwin dari Office of High Energy and Nuclear Physics di Amerika adalah orang yang mengusulkan ide electromagnetic propulsion ini. Saat sebuah elektromagnet didinginkan sampai suhu sangat rendah terjadi sesuatu yang ‘tidak biasa’. Jika kita mengalirkan listrik pada magnet yang super dingin tersebut kita bisa mengamati terjadinya getaran (vibration) selama beberapa nanodetik (1 nanodetik = 10−9 detik) sebelum magnet itu menjadi superkonduktor. Menurut Goodwin, walaupun getaran ini terjadi hanya selama beberapa nanodetik saja, kita tetap dapat memanfaatkan keadaan unsteady state (belum tercapainya keadaan tunak) ini. Jika getaran-getaran yang tercipta ini dapat diarahkan ke satu arah yang sama maka kita bisa mendapatkan kekuatan yang cukup untuk ‘melempar’ sebuah pesawat ruang angkasa. Kekuatan ini tidak hanya cukup untuk ‘melempar’ secara asal-asalan, tetapi justru pesawat ruang angkasa bisa mencapai jarak maksimum yang lebih jauh dengan kecepatan yang lebih tinggi dari segala macam pesawat yang menggunakan propellant.

Untuk menerangkan idenya, Goodwin menggunakan kumparan kawat (solenoid) yang disusun dari kawat magnet superkonduktor yang dililitkan pada batang logam berbentuk silinder. Kawat magnetik yang digunakan adalah logam paduan niobium dan timah. Elektromagnet ini menjadi bahan superkonduktor setelah didinginkan menggunakan helium cair sampai temperatur 4 K (-269°C). Pelat logam di bawah solenoida berfungsi untuk memperkuat getaran yang tercipta. Supaya terjadi getaran dengan frekuensi 400.000 Hz, perlu diciptakan kondisi asimetri pada medan magnet. Pelat logam (bisa terbuat dari bahan logam aluminium atau tembaga) yang sudah diberi tegangan ini diletakkan secara terpisah (isolated) dari sistem solenoida supaya tercipta kondisi asimetri.

Selama beberapa mikrodetik sebelum magnet mulai berosilasi ke arah yang berlawanan, listrik yang ada di pelat logam harus dihilangkan. Tantangan utama yang masih harus diatasi adalah teknik untuk mengarahkan getaran-getaran yang terbentuk pada kondisi unsteady ini supaya semuanya bergerak pada satu arah yang sama. Untuk itu kita membutuhkan alat semacam saklar (solid-state switch) yang bisa menyalakan dan mematikan listrik 400.000 kali per detik (yaitu sesuai dengan frekuensi getaran). Solid-state switch ini pada dasarnya bertugas untuk mengambil energi dari keadaan tunak dan mengubahnya menjadi pulsa listrik kecepatan tinggi (dan mengandung energi tinggi) sampai 400.000 kali per detiknya. Energi yang digunakan untuk sistem elektromagnetik ini berasal dari reaktor nuklir (300 kW) milik NASA. Reaktor ini menghasilkan energi panas melalui reaksi fisi nuklir. Reaksi fisi nuklir ini melibatkan proses pembelahan atom yang disertai radiasi sinar gamma dan pelepasan kalor (energi panas) dalam jumlah sangat besar.

Reaktor nuklir yang menggunakan ¾ kg uranium (U-235) bisa menghasilkan kalor yang jumlahnya sama dengan kalor yang dihasilkan oleh pembakaran 1 juta galon bensin (3,8 juta liter). Energi panas yang dihasilkan reaktor nuklir ini kemudian dikonversi menjadi energi listrik yang bisa digunakan untuk sistem electromagnetic propulsion ini. Ketika digunakan dalam pesawat luar angkasa, ¾ kg uranium sama sekali tidak memakan tempat karena hanya membutuhkan ruangan sebesar bola baseball. Dengan massa dan kebutuhan ruang yang jauh lebih kecil dibandingkan mesin roket yang biasanya digunakan untuk mengirim pesawat ke luar angkasa, pesawat yang menggunakan sistem elektromagnetik ini dapat mencapai kecepatan maksimal yang jauh lebih tinggi sehingga bisa mencapai lokasi yang lebih jauh pula.

Menurut Goodwin pesawat dengan teknologi elektromagnetik ini dapat mencapai titik heliopause yang merupakan tempat pertemuan angin yang berasal dari matahari (solar wind) dengan angin yang berasal dari bintang di luar sistem tatasurya kita (interstellar solar wind). Heliopause terletak pada jarak sekitar 200 AU (Astronomical Unit) dari matahari. 1 AU merupakan jarak rata-rata bumi dari matahari yaitu sekitar
149,597,871 km. Planet terjauh dalam sistem tatasurya kita saja hanya berjarak 39,53 AU dari matahari. Semua pesawat luar angkasa yang menggunakan propellant tidak bisa mencapai jarak sejauh itu!

Tentu saja pesawat yang dipersenjatai elektromagnetik yang dahsyat ini masih sangat jauh dari sistem ideal yang kita inginkan. Karena walaupun pesawatnya bisa mencapai kecepatan sangat tinggi, kecepatan itu masih sangat kecil dibandingkan kecepatan cahaya (300.000 km per detik). Kecepatan maksimum yang bisa dicapai sistem ini masih di bawah 1% kecepatan cahaya. Padahal bintang yang terdekat dengan sistem tatasurya kita berada pada jarak lebih dari 4 tahun cahaya (1 tahun cahaya = 9.4607×1012 km). Perjalanan terjauh yang pernah ditempuh manusia adalah 400.000 km, yaitu perjalanan ke bulan.

Jika kita ingin mengirim pesawat tanpa awak pun kita masih membutuhkan ratusan tahun sebelum pesawat tersebut bisa mencapai bintang terdekat. Itu pun karena pesawatnya menggunakan teknologi elektromagnetik! Dengan pesawat yang menggunakan propellant bahan kimia kita baru bisa mencapai bintang terdekat dalam waktu puluhan ribu tahun. Jika kita ingin mencapai bintang terdekat dalam waktu lebih cepat seperti dalam film Star Trek kita membutuhkan teknologi yang bisa melampaui kecepatan cahaya. Selama teknologi itu masih belum bisa dikembangkan, kita bisa memanfaatkan dulu teknologi elektromagnetik yang ternyata memberikan alternatif yang cukup menjanjikan walaupun belum bisa mewujudkan impian kita untuk menjelajahi jagad raya.

(Yohanes Surya)

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp

Dicari Kontributor Web Fisika

Anda ingin bergelut di dunia jurnalisme sains, sembari berkontribusi membangun web jurusan?

Ayo Tunggu Apalagi

Daftarkan diri anda, untuk kemajuan bersama
0 0 vote
Rating Artikel
Notify of
0 Respon
Inline Feedbacks
View all comments
Would love your thoughts, please comment.x